$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Митохондрии – это высокодинамичные органеллы, присутствующие во всех эукариотических клетках, обеспечивающие их энергией и регулирующие обмен веществ. Таким образом, митохондрии находятся на перекрестке клеточной смерти и выживания. Было показано, что митохондрии играют важную роль в различных процессах, начиная от лизосомального закисления и молекулярного моторного действия и заканчивая сокращением мышци возбуждением синапсов.
Митохондрии регулярно подвергаются делению и слиянию для поддержания митохондриальной сети, которая эффективно производит АТФ в ответ на метаболические потребности клетки и стресс. Действительно, было показано, что митохондрии подвергаются делению, чтобы облегчить митофагию, избирательное удаление митохондриальных фрагментов. Следовательно, в клеточной системе остаются только активно дышащие, а не деполяризованные митохондрии 3,4. Однако слияние происходит как средство увеличения выходной мощности АТФ сети в случае возросшей потребности 5,6. Кроме того, было показано, что как деление, так и слияние играют важную роль в разделении и защите митохондриальной ДНК 7,8. Следует отметить, что степень деления и слияния требует тщательного гомеостатического контроля для обеспечения здоровой митохондриальной сети, поскольку было показано, что слишком много или слишком мало того или иного процесса вредно.
Было показано, что чрезмерное деление приводит к фрагментации митохондриальной сети с последующим снижением уровня АТФ при болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и таупатиях 9,10,11, а низкий уровень деления может привести к накоплению деполяризованных митохондрий, что приводит к симптомам, похожим на болезнь Паркинсона 12. Известно, что гиперфузия сети происходит во время стресса для увеличения выхода АТФ. Тем не менее, было показано, что нахождение в этом состоянии в течение длительных периодов времени увеличивает уровни АФК и активность аутофагии, что приводит к началу гибели клеток 9,12.
Таким образом, становится ясно, что понимание состояния митохондриальной сети дает ключ к пониманию состояния клетки и, следовательно, организма. Очевидная важность понимания митохондриальной сети в контексте здоровья и болезней, ее способности подвергаться событиям деления и слияния, а также их влияния на здоровье клеток — вот что послужило мотивацией для разработки этого протокола и связанных с ним инструментов анализа. В частности, инструменты, которые позволяют охарактеризовать митохондриальную динамику, в значительной степени ограничены и плохо описаны в литературе.
Морфология митохондрий обычно определяется с помощью конфокальной микроскопии с последующим вычислительным анализом, который требует, чтобы необработанные микрофотографии подвергались некоторой степени обработки для повышения их качества для оценки, поскольку это лучше всего описывает организацию митохондрий. Таким образом, пользователи могут определить многие морфометрические результаты митохондриальной сети, такие как количество, объем, длина и соотношение сторон 13,14,15. Пользователи могут использовать либо 2D, либо 3D микрофотографии для морфологической оценки, хотя 3D-анализ обеспечивает большую точность и понимание, поскольку митохондриальная сеть состоит из 3D-структур. Для анализа деления и слияния рекомендуется использовать микрофотографии с осью z, так как это наилучшим образом компенсирует трехмерность митохондриальной сети16.
Многие исследования включают в себя категоризацию митохондрий на фрагментированные, нитевидные или промежуточные состояния в качестве средства описания сети16,17. 3D-анализ особенно полезен из-за различных форм, которые митохондрии принимают в клетке. Добавление трехмерности к исследованию придает уверенности, особенно в отношении количества митохондрий, поскольку митохондрии, вероятно, будут двигаться вверх или вниз по оси z. MEL — это плагин ImageJ, который зависит от 3D-изображений. В данной работе мы использовали нейрональные клетки гиппокампа мыши GT1-7, окрашенные TMRE и методом Хёхста, для визуализации митохондриальной сети, а также ядра клетки. Затем клетки были помещены через конвейер предварительной обработки для повышения качества микрофотографий в рамках подготовки к анализу изображений.
Существует множество методов, которые позволяют определять морфологию митохондрий на основе статических показателей. Лишь немногие из них включают активность деления и синтеза и позволяют количественно зафиксировать динамическое поведение митохондрий 13,19,20,21. Здесь мы опишем протокол улучшения изображения до определения характеристик сети, уделяя особое внимание митохондриальному делению и термоядерной активности. Мы продемонстрируем, как эта методика может дополнить ранее опубликованные методы определения морфологии митохондрий.